地下矿山喷射混凝土工艺技术探讨

毛 勇,李正东

(大冶有色金属有限责任公司丰山铜矿, 湖北阳新县 435232)

地下矿山喷射混凝土工艺技术探讨

毛 勇,李正东

(大冶有色金属有限责任公司丰山铜矿, 湖北阳新县 435232)

介绍了混凝土喷射机的工作原理、工艺特点、发展过程,分析了干喷工艺与湿喷工艺的优缺点及国内外混凝土喷射技术的应用情况。湿喷混凝土具有许多技术优势,可保证初期支护的效果,减少矿山采矿后期维护成本,是值得在矿山推广应用的一种支护施工技术。

喷射混凝土;干喷;湿喷;对比分析

对于地下矿山顶板节理、裂隙比较发育以及地压较大的采场,需要采用两种以上的联合支护形式。采场常用的联合支护形式有锚杆与金属网、喷射混凝土与锚杆、长锚索与锚杆。目前,混凝土喷射技术主要有干喷和湿喷两种喷射方式。

1 喷射混凝土技术的工艺分析

地下矿山喷射混凝土干喷工艺设计的基本原则是:喷射混凝土支护厚度最小为50 mm;在含水层地段最小厚度为80 mm;在软弱破碎岩层中最小厚度为100 mm;大断面工程视揭露的岩石情况而定,喷层厚度一般在100～200 mm;网喷支护的最小设计厚度为100 mm;喷射混凝土的强度等级不应低于C20;喷射混凝土的回弹率,边墙不应大于15%,拱部不应大于25%。混凝土骨料最大粒径不超过15 mm,喷射混凝土的基准配比一般为:水泥∶砂∶石∶水∶速凝剂＝1∶2∶2∶0.45∶0.04。在矿山生产实践中,干喷工艺两次喷射混凝土实际上墙厚度一般在20～30 mm,回弹率高达30%,现场作业条件差,粉尘浓度达30～120 mg/m3。

干喷和湿喷的主要工艺区别在于足重(按水灰比要求应加的量)拌合水的加入时机不同。干式喷射混凝土是在输料管中输送未加入拌合水的干料(地面自然湿度拌合料或烘干料),而在喷嘴前再加足够量拌合水,与干料迅速混合为全湿混凝土后输送至喷嘴处,掺加速凝剂后形成料束喷至施工面;湿式喷射混凝土是在其进入输料管前混合料中已加了足量的拌合水,输料管中输送的是全湿混凝土。

干式喷射混凝土的主要优点是设备投资少,工艺简单。但施工中粉尘、回弹均较大,危害工人健康,尤其是断面较小的巷道工程施工中,粉尘污染更为严重。与干喷相比,湿喷的明显优势就是生产率高、粉尘浓度低。

近十年来,湿喷技术的发展日趋完善,特别是混凝土泵、活塞式速凝剂计量泵的出现,使湿喷法的应用领域大大拓宽。随着机械化程度的不断提高,喷射混凝土技术的标准也在不断提高。欧洲喷射混凝土强度等级主要为C40,并根据环境条件提出耐久性指标要求。我国隧道喷射混凝土标准由C20提高到了C25,并提出了1 d强度大于10 MPa的要求。根据对隧道初期支护设计理念的调整,应该进一步提高强度标准,在软岩隧道进一步提高早期强度标准,同时提出耐久性指标要求,使初期支护结构真正成为永久支护结构。干喷工艺作业现场环境恶劣、劳动强度大、安全性较差,改善的途径就是不断推广先进的生产工艺和提高机械化生产的程度。可见,在未来矿山建设中,湿喷工艺的引进已经成为矿山发展不可逆转的趋势。

干喷和湿喷工艺的特点对比见表1。

2 混凝土干、湿喷工艺的设备费用及生产效率

以目前国内使用的最好的TK系列湿喷机为例,其销售价格大概为9～10万元/台,可以喷射混凝土10000～15000 m3,使用湿喷工艺设备成本6～10元/m3;干喷机国内售价6000～15000元/台,可以喷射混凝土约5000 m3,使用干喷工艺设备成本1～3元/m3。这样采用湿喷工艺设备成本比干喷高5～7元/m3。根据多年的实践经验和统计资料,采用干、湿喷工艺配件消耗均在8～20元之间,没有明显差别。

表1 混凝土干喷、湿喷工艺的对比

采用湿喷工艺可以采用机械化施工,利用混凝土罐车送料,无需人工上料,仅需要3个工作人员(罐车司机兼放料员1名,喷射手1名,喷射辅助人员1名),生产效率为5 m3/h;采用干喷工艺需要上料工人2名、喷射手1名,送料司机1名,共4名,生产效率为3 m3/h。由此可见,湿喷工艺的人均生产效率是干喷工艺的2.5倍。

3 某矿山的混凝土喷射支护分析

某中型地下矿山年出矿量为80万t,年自营掘进量为8000 m,需要喷砼支护巷道长度约为6000 m,喷砼量约为3000 m3,采用干喷工艺实际喷砼作业人员为9人。干、湿喷工艺材料费分别为407元/m3和348.5元/m3,采用湿喷工艺效率大为提高,预计可减少5名定员,按照该企业2011年在岗职工年平均工资为3.7万元计算,采用湿喷工艺比干喷工艺每年预计节约费用:(407-348.5-7)× 3000+5×37000＝33.95万元。

当然,采用湿喷工艺必须要采用混凝土搅拌罐车运输,另外,混凝土计量搅拌系统也需要改造,这些无形中增加了湿喷工艺的使用成本。由于湿喷工艺具有明显的技术优势,近年来,世界各国分别研发出一系列的湿喷台车机械手,喷射效率高达30 m3/h,但价格较为昂贵,进口湿喷台车机械手约300～400万元。但是,采用湿喷台车机械手进行作业,能快速高效地完成初期支护,从而确保矿山工程建设的施工安全,缩短了采矿周期。

4 小 结

从总的投资及成本对比来看,湿喷工艺的前期投入相对较高,但是湿喷工艺具有机械化程度高、工作效率高、回弹率低、作业环境好等诸多优点,具有广泛的适应性,并且实现对初期支护质量的控制,使混凝土的质量处于受控状态,从而保证初期支护的效果,减少了矿山采矿后期维护成本,是一种值得推广的支护施工技术。

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2012-03-06)

毛 勇(1977-),男,湖北罗田人,助理工程师,主要从事矿山工程测量及技术管理工作。